水电站渡槽破损修复研究

王文全, 喻红芬, 严琴琴，甄 峰,丁 平, 谢 超

(1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司, 江苏 南京 210024；2.南通市水利局, 江苏 南通 226000；3.南通市新江海河闸管理所，江苏 南通 226009；4.扬州市水利局,江苏 扬州 225000)

0 引 言

小水电作为一种清洁可再生、可持续发展能源，可在不影响山区自然环境的前提下，为附近百姓提供灌溉用水、生活用电，能促进山区经济社会的发展[1]。但是，小水电站经过多年运行，其引水渠道混凝土衬砌会逐渐老化、破损[2_5]。

渡槽是引水渠道的重要组成部分，其破损会降低输水效率，极大的浪费水资源，影响小水电站的发电效益。针对混凝土常见破损类型，一些学者已对其破损形成原因进行了分析，并在此基础上有针对性地修复加固[6_15]。然而，这些修复加固研究未能从结构角度对混凝土的加固效果进行深入分析，修复后的混凝土渡槽等结构仅在运行一小段时间后仍易发生破损。

因此，本文针对某水电站的引水渡槽破损情况，提出针对性的修补方案，并对其设计状态、破损状态以及修复状态下结构性能进行对比分析，旨在验证其修复方案的合理性。

1 工程概况

1979年建立的某引水式水电站开发任务以发电为主，兼顾满足电站周围人民的用水需求。其水库总库容为128万m3，电站拦水坝为均质土石坝。该水电站原设计总装机容量为260 kW，由2台卧轴斜击式机组组成。由于运行多年而缺乏相应的更新改造，目前100 kW机组已停机，仅有160 kW机组正常运行发电，年发电量为50万kW·h；其厂房墙面、地面积灰严重，卫生环境较差。厂房内部发电机组外观老旧，油漆剥落，锈蚀严重，且运行噪声较大，相关评估机构曾建议加强日常维护和及时对机电设备进行更新改造。

水电站引水明渠由混凝土结构和浆砌石结构组成，引水渠道全长约5 km，其中包含6个引水隧洞和一段引水渡槽。

该引水渠道虽常有维护，但是经过40多年的运行，衬砌老化破损严重，使得防渗结构失去原有的防渗能力，特别是渡槽底部出现了严重的混凝土剥蚀现象，严重影响水电站的正常运行(见图1)。

从图1中可看出，引水渡槽底部混凝土严重老化，而且由于施工时混凝土保护层厚度未达到规范要求，渡槽底部的混凝土难以对其内部钢筋进行有效防护。在潮湿环境下，钢筋发生锈蚀并膨胀，使混凝土结构出现破损，降低了混凝土对钢筋锚固力和抵抗弯矩的能力，存在极大的安全隐患。

图1 渡槽底部混凝土层剥蚀脱落现象

2 修复方案

该水电站不仅水工建筑物出现较严重的结构老化损坏，机电设备和主要辅助设备等也急需进行更新改造。现阶段该水电站的效益并不高，不能同时对所有水工建筑物和电气设备进行彻底维修与更新。就引水建筑物而言，电站引水渠道还普遍存在渗漏问题，局部渠道上的边坡还存在滑塌隐患，急需治理。从该水电站实际情况出发，暂还不具备对其渡槽进行推倒重建的条件。因此，针对渡槽底部混凝土大面积剥蚀现象，本文提出了一种快速实用的修补措施。

(1)破损混凝土的清除

混凝土渡槽结构修补，应先凿除老化劣化的混凝土表层，至新鲜坚硬混凝土层；再对结合面凿毛和清洗，使得修补层和原混凝土基层之间形成粘结面。需要注意的是：混凝土凿除深度不应小于15 mm，本次渡槽内外侧凿除深度控制为25 mm，凿除深度应保持一致，避免形成薄弱界面。施工时宜用人工凿除，以加强凿除尺寸的控制和减小混凝土凿除对渡槽结构强度的损伤。

(2)新旧结合面的处理

在混凝土凿除结束后，首先应对外露钢筋进行除锈，并涂刷阻锈剂和布置钢筋网，清除老混凝土基面浮尘和松动骨料。待高压水清洗干燥后，再涂刷混凝土界面剂，随浇随涂，以提高新旧混凝土的结合效果。对于渡槽底板外侧则应布置钢丝绳网片，以增强修补结构与原混凝土基层的粘结强度。

(3)修补材料回填

根据混凝土结构的环境类别，渡槽内侧的钢筋保护层厚度为30 mm，新旧结合面的保护层厚度为20 mm；由此可知，该渡槽结构的修补层厚度为50 mm。对于渡槽外侧则采用聚合物砂浆补强加固被凿除的部分，厚度按混凝土剥落厚度而定。浇筑混凝土时，应缓慢地倾倒到预定位置。由于浇捣的厚度较薄，应随着混凝土浇捣，进行振捣，避免混凝土产生离析现象(见图2)。

图2 混凝土置换法施工工艺

3 渡槽结构数值模拟

3.1 计算模型

以现场实测尺寸为基础，建立修补后渡槽整体有限元模型，研究引水渡槽的实际修补效果。图3为引水渡槽计算模型(见图3)，混凝土采用SOLID65实体单元，B层和C层的钢筋采用SOLID45实体单元，进行静力分析，结构体均采用弹性模型；其中钢筋为HPB235，配筋率为0.2%，沿着底板的长度方向和宽度方向均匀放置。钢筋混凝土结构的密度为2 550 kg/m3，砌石墙基础的密度为2 410 kg/m3，其修补层的具体材料参数如下所示(见表1)。

表1 某水电站渡槽的材料参数

图3 计算模型

3.2 结果分析

经上述的修补处理后，基本可以解决渡槽表层材料的老化病害，恢复原有结构的安全性、适用性，减缓由于环境影响因素引起的结构性能衰减。为了更好地反映混凝土置换的修补效果，将修补后的结构简化成如图4所示(见图4)。A层为渡槽外侧的聚合物砂浆层，假设平均修补厚度为10 mm，主要保护渡槽外侧结构，遏制碳化腐蚀破坏的进一步深入。B层为原钢筋混凝土基层，厚度为150 mm，浇筑混凝土层前对局部的开裂破坏进行了处理，以恢复基层结构的连续性和增强修补结构的耐久性。C层为渡槽内侧回填混凝土层，厚度为50 mm，具有较好的防渗性能，起着保护混凝土基层的作用。同时，结构本身还能与原结构协同工作，对结构整体起着补强加固的作用。

图4 渡槽修补后的结构分层(单位：mm)

表2和表3分别给出了渡槽底板与侧墙有限元计算结果(见表2、表3)。由表2和表3可看出：对比修补状态下渡槽底板和侧墙的应力应变值均比破损状态小，其中竖直方向的底板应变值较破损时的减小了60.1%，侧墙应变值减小了82.51%。由此可知，引水渡槽置换修补方案增加了整体结构有效承载面积，有效地解决引水渡槽材料老化导致整体结构强度降低的问题，提升了引水渡槽安全性能，保证了电站安全稳定的运行以及渡槽周边地区人民的生命财产安全。

表2 渡槽底板计算结果

表3 渡槽侧墙计算结果

4 结 语

针对某水电站引水渡槽的破损情况，提出具体的修补方案，并利用有限元软件Ansys论证了渡槽结构修复的可行性；可有效地增加整体结构的承载面积，解决引水渡槽因材料老化导致整体结构强度降低的问题，提升引水渡槽安全性能，保障电站安全稳定运行以及渡槽周边地区百姓生命财产安全。